Mūsdienu skaitļošana patērē aizvien vairāk enerģijas. Līdz 2050. gadam pat 20% no ASV komercsektora patērētās elektroenerģijas varētu tikt izmantoti aprēķiniem, savukārt datu centru elektroenerģijas pieprasījums tuvāko gadu laikā varētu dubultoties. Tāpēc pētnieki meklē efektīvākas skaitļošanas metodes, tostarp risinājumus, kas balstīti dabā.
Maynooth Universitātes komanda Īrijā šim nolūkam pievērsusies dzīvības ķīmijai un izstrādājusi jauna veida datoru, kas darbojas bez pastāvīgas elektrības padeves. Datorzinātnieks un pētījuma vecākais autors Demjens Vudss norāda, ka silīcija datori patērē ļoti daudz enerģijas — Īrijā skaitļošana un datu glabāšana veido 23% no visas elektroenerģijas patēriņa. Pēc viņa teiktā, cilvēki pārāk ilgi koncentrējušies uz vienu datoru veidu, lai gan citi piemēri, tostarp smadzenes, ir atrodami mums apkārt.
Kā aprēķinus veic DNS
Gandrīz visi mūsdienu datori izmanto slēdžus jeb tranzistorus, kas datus kodē ieslēgtā un izslēgtā stāvoklī. Pat vienkāršākā aprēķina veikšanai šo stāvokļu maiņai nepieciešams neliels elektriskais lādiņš. Atsevišķa strāva ir ļoti maza, taču tā ātri summējas, tranzistoriem miljardiem reižu sekundē pārslēdzoties starp stāvokļiem.
DNS molekulas veidojošās četras ķīmiskās vienības arī spēj kodēt informāciju, ko var izmantot algoritmiskiem aprēķiniem. Šajā gadījumā skaitļošana nenotiek ar elektroniskiem slēdžiem, bet gan kā sacensība starp dažādām DNS sekvencēm.
Pati DNS skaitļošana nav jauna ideja. Deviņdesmitajos gados Dienvidkalifornijas Universitātes datorzinātnieks Leonards Adlemans ar nukleotīdu virknēm un bioķīmiju atrisināja slaveno ceļojošā tirgotāja problēmu. Kopš tā laika pētnieki ir izstrādājuši dažādus veidus, kā ķīmiskas reakcijas programmēt dažādiem skaitļošanas uzdevumiem.
Tomēr līdz šim būtisks izaicinājums bija izveidot DNS datoru, kas vienlaikus būtu enerģētiski izdevīgs, stabils un uzticams, kā arī spētu nonākt pie rezultāta bez pastāvīgas iejaukšanās, papildu vielu pievienošanas vai enerģijas padeves.
Sistēma pati nonāk pie atbildes
Vudsa komanda izvēlējās pieeju, kas vairāk saistīta ar jauno DNS origami zinātni nekā ar tradicionālo sacensību starp vienkāršām DNS virknēm. Process apvieno nukleīnskābes “skeletu” ar īsiem DNS segmentiem siltā sāls šķīdumā. Maisījumam atdziestot, izveidojas zemākās enerģijas struktūra, kas sniedz atbildi uz uzdoto problēmu.
“Molekulas mijiedarbojas, veido struktūru, un šī struktūra ir atbilde,” skaidro Vudss. “Būtisks jauninājums ir tas, ka sistēma šo atbildi atrod dabiski, bez nepārtrauktas enerģijas padeves.”
Lai pārbaudītu metodi, pētnieki palaida vairākas dažādas programmas, tostarp tādas, kas veica līdz pat 100 bitu lielus aprēķinus. Viens no ātrākajiem uzdevumiem — saskaitīt trīs un desmit — aizņēma aptuveni 30 sekundes. Tas nav īpaši ātri, un šādā ziņā sistēma zaudē pat skolēnam, kas aprēķinu veic bez steigas.
Tomēr ātrums nav galvenais mērķis. DNS skaitļošana darbojas paralēli, vienā šķidruma pilē ļaujot veikt lielu skaitu aprēķinu. Pētījuma līdzautore un viena no divām pirmajām autorēm Abīra Ešra norāda, ka reakcija mēģenē notiek ātri, taču ne tik ātri kā silīcija datorā — un tai arī nav jābūt tikpat ātrai. Salīdzinājumā ar citiem DNS datoriem šī sistēma tomēr ir ātrākā.
DNS kā datu glabātuve
Papildus aprēķiniem DNS spēj uzticami uzglabāt ļoti lielu datu apjomu. Teorētiski viens grams DNS varētu saturēt simtiem miljonu gigabaitu, tādējādi ik gadu uzkrāto datu bibliotēku būtu iespējams ievietot pat garāžā, saglabājot brīvu vietu.
Apvienojot mazenerģijas metodes datu glabāšanai un izgūšanai ar termodinamiski izdevīgiem veidiem specializētu aprēķinu veikšanai, skaitļošanas nākotne varētu kļūt mazāk atkarīga no lieliem un energoietilpīgiem datu centriem.
Tehnoloģijas
Tehnoloģijas
Tehnoloģijas